JP6504250B2

JP6504250B2 - 制御回路

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Publication number: JP6504250B2
Application number: JP2017528080A
Authority: JP
Inventors: 羽野　光隆; 光隆羽野
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2015-07-15
Filing date: 2015-07-15
Publication date: 2019-04-24
Anticipated expiration: 2035-07-15
Also published as: CN107925351A; US20180091035A1; CN107925351B; JPWO2017009979A1; WO2017009979A1; DE112015006702T5; US11283347B2

Description

この発明は、例えばインバータシステム等の電圧変換、又はＬＥＤシステム等に用いられる制御回路に関する。

特許文献１にはゲートドライブ回路が開示されている。このゲートドライブ回路は、ＰＷＭ波形発生器から出力された各種信号Ｖｇ１’、Ｖｇ２’、Ｖｐ１、Ｖｐ２に基づき、Ｈｉ−ＭＯＳＦＥＴおよびＬｏ−ＭＯＳＦＥＴに印加するゲート電圧の印加タイミングおよび印加電圧値を制御し、Ｈｉ−ＭＯＳＦＥＴおよびＬｏ−ＭＯＳＦＥＴに対して所定のタイミングに、所定の電圧値のゲート電圧を印加する。

日本特開２００８−２７８５５２号公報

例えばＬＥＤシステム等のシステムに最適な高耐圧ゲートドライバＩＣ（以後、ドライブ回路ということがある）は、直接パワーデバイスを制御する。ドライブ回路の供給電源(Ｖｃｃ)は、ドライブ回路とは別に設けられたＩＰＤ（Intelligent Power Device）で制御されることが多い。その場合、システムの制御とＩＰＤの制御を別々に行う必要が生じるので、システム管理が困難になる問題があった。

さらに、基板面積を小さくするためにドライブ回路と、ドライブ回路にＶｃｃを供給するための回路とを１チップに形成する場合には、予め定められたＶｃｃを安定して供給することが求められる。

本発明は上述の問題を解決するためになされたものであり、予め定められたＶｃｃを安定して供給できる、基板面積の小型化に好適な制御回路を提供することを目的とする。

本願の発明にかかる制御回路は、第１パワーデバイスにゲート駆動信号を出力するドライブ回路と、該ドライブ回路の起動時に、充電電流を生成する充電回路と、該充電回路の出力を受け、該ドライブ回路のＶｃｃを供給するための制御信号を外部コンバータに設けられた第２パワーデバイスに出力するＶｃｃ制御回路と、を備え、該ドライブ回路、該充電回路及び該Ｖｃｃ制御回路を１つのチップに設け、該第１パワーデバイスは該チップの外部に設けたことを特徴とする。

本願の発明に係る他の制御回路は、第１パワーデバイスにゲート駆動信号を出力するドライブ回路と、該ドライブ回路にＶｃｃを供給するために外部コンバータに設けられた第２パワーデバイスに制御信号を出力するＶｃｃ回路と、該ドライブ回路に接続された第１フローティング端子と、該Ｖｃｃ回路に接続され、該第１フローティング端子と常に絶縁された第２フローティング端子と、を備え、該ドライブ回路及び該Ｖｃｃ回路を１つのチップに設け、該第１パワーデバイスは該チップの外部に設けたことを特徴とする。

本発明のその他の特徴は以下に明らかにする。

この発明によれば、ドライブ回路とＶｃｃ制御回路を１チップに設けた上で、２つのフローティング端子を設けたり、フィードバック回路でＶｃｃを監視したりすることで、予め定められたＶｃｃを安定供給できる、基板面積の小型化に好適な制御回路を提供することができる。

実施の形態１に係る制御回路等の回路図である。Ｖｃｃの制御シーケンスを示すタイミングチャートである。実施の形態２に係る制御回路等の回路図である。実施の形態３に係る制御回路等の回路図である。実施の形態４に係る制御回路等の回路図である。

本発明の実施の形態に係る制御回路について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る制御回路等の回路図である。制御回路１８は複数の機能を有する回路が１チップに集積された集積回路（ＩＣ）である。制御回路１８には、外部との電気的入出力を行うために端子Ｔ１−Ｔ１０が設けられている。制御回路１８はゲート駆動信号を出力するドライブ回路２６を備えている。ドライブ回路２６は検出回路２６ａ、２６ｂ、ＦＦ回路２６ｃ及び信号生成回路２６ｄを備えている。ドライブ回路２６は、高耐圧ゲートドライバＩＣ（HVIC）である。

ドライブ回路２６の制御対象は第１パワーデバイス３０である。ドライブ回路２６は、端子Ｔ９を介して第１パワーデバイス３０のゲートに接続されている。ドライブ回路２６（信号生成回路２６ｄ）は、ゲート駆動信号を生成し、そのゲート駆動信号を外部に設けられた第１パワーデバイス３０のゲートに印加する回路である。ドライブ回路２６にはフローティング電位を供給する端子Ｔ１０が接続されている。端子Ｔ１０は第１フローティング端子を称する。第１フローティング端子(端子Ｔ１０)は第１パワーデバイス３０のソースに接続されている。

制御回路１８は端子Ｔ１を備えている。端子Ｔ１は、整流回路１２と昇圧回路１４を介して商用電源１０（例えばＡＣ１００Ｖの外部電源）に接続されている。制御回路１８は、この端子Ｔ１に接続された充電回路２０を備えている。充電回路２０は例えば定電流回路で構成する。商用電源１０（電源電圧）の電圧が昇圧回路１４で例えば６００Ｖまで昇圧された電圧が充電回路２０に入力される。充電回路２０は、ドライブ回路２６の起動時に充電電流を生成する。充電電流はドライブ回路２６に供給するＶｃｃの立ち上げ（起動）に用いられる。

制御回路１８はＶｃｃ制御回路２２を備えている。Ｖｃｃ制御回路２２はドライブ回路２６に供給するＶｃｃを生成するための信号を出力する回路である。Ｖｃｃ制御回路２２は、ＦＢ（Feed Back）検出回路２２ａ、ＰＦＭ(Pulse Frequency Modulation)制御回路２２ｂ及び信号生成回路２２ｃを備えている。信号生成回路２２ｃは端子Ｔ６を介して第２パワーデバイス４０のゲートに接続されている。信号生成回路２２ｃは、制御信号を生成し、その制御信号を端子Ｔ６を介して第２パワーデバイス４０のゲートに印加する回路である。第２パワーデバイス４０のドレインは昇圧回路１４に接続されている。なお、前述の第１パワーデバイス３０と第２パワーデバイス４０は例えばパワーＭＯＳＦＥＴ又はＩＧＢＴなどの高耐圧パワーデバイスで構成することが好ましい。

Ｖｃｃ制御回路２２にはフローティング電位を供給する端子Ｔ７が接続されている。端子Ｔ７を第２フローティング端子と称する。第２フローティング端子(端子Ｔ７)は第２パワーデバイス４０のソースに接続されている。第２フローティング端子(端子Ｔ７)は第１フローティング端子（端子Ｔ１０）と絶縁された端子である。したがって、第１フローティング端子（端子Ｔ１０）の電位変動が第２フローティング端子（端子Ｔ７）の電位に影響を与えることはないし、第２フローティング端子の電位変動が第１フローティング端子の電位に影響を与えることはない。

第２パワーデバイス４０のソースには電圧変換部４２が接続されている。電圧変換部４２は第２パワーデバイス４０のスイッチングに応じて、ドライブ回路２６に供給するＶｃｃを生成する。第２パワーデバイス４０と電圧変換部４２をまとめて外部コンバータ４３と称する。「外部」とは制御回路１８の外部にあるという意味である。

Ｖｃｃ制御回路２２と外部コンバータ４３の動作を説明する。Ｖｃｃ制御回路２２は充電回路２０の出力を受け動作を始める。具体的には、信号生成回路２２ｃが制御信号を生成し、第２パワーデバイス４０のゲートに印加する。これに応じて、外部コンバータ４３でＶｃｃ（例えば１５Ｖ）が生成される。生成されたＶｃｃは端子Ｔ２を介してドライブ回路２６に供給される。

このとき、端子Ｔ２に接続されたＦＢ回路２２ａとＰＦＭ制御回路２２ｂによって、Ｖｃｃが検出される。ＦＢ回路２２ａとＰＦＭ制御回路２２ｂは、検出したＶｃｃが予め定められた値となるように、信号生成回路２２ｃに信号を伝送する。例えば、ＦＢ回路２２ａとＰＦＭ制御回路２２ｂは、予め定められたＶｃｃを実現するために必要な制御信号パルス周期を信号生成回路２２ｃに通知する。ＦＢ回路２２ａとＰＦＭ制御回路２２ｂは、フィードバック回路として機能する。フィードバック回路は、Ｖｃｃを検出し、Ｖｃｃが適正であるか判定し、適正でなければ信号生成回路２２ｃに通知するものであれば特に限定されず、ＦＢ回路２２ａとＰＦＭ制御回路２２ｂ以外の構成としてもよい。

制御回路１８は、充電電流を遮断する遮断回路２４を備えている。遮断回路２４は、充電回路２０の充電電流が予め定められた値に達すると充電回路２０とドライブ回路２６の接続を遮断する。具体的には、充電回路２０とドライブ回路２６を接続する配線にはスイッチが設けられ、遮断回路２４はこのスイッチをオフすることで、充電回路２０とドライブ回路２６の接続を遮断する。

制御回路１８は、上述のドライブ回路２６、充電回路２０、遮断回路２４、及びＶｃｃ制御回路２２を１つのチップに設けたものである。充電回路２０、遮断回路２４及びＶｃｃ制御回路２２は、昇圧回路１４によって昇圧された電圧（例えば６００Ｖ）から、ドライブ回路２６に供給するＶｃｃ（例えば１５Ｖ）を生成するための制御を行う回路である。仮に、この「Ｖｃｃを生成するための制御を行う回路」をドライブ回路２６と別基板に設けると、２つの基板が必要となり必要な基板面積が増大する上に、基板間の電気的接続のための配線も必要となる。

しかし、本発明の実施の形態１では、Ｖｃｃを生成するための制御を行う回路（充電回路２０、遮断回路２４及びＶｃｃ制御回路２２）を、ドライブ回路２６を形成したチップに内蔵する事により、部品点数を削減し、基板実装面積を縮小できるので、コストを下げる事ができる。また、Ｖｃｃを生成するための制御を行う回路とドライブ回路２６を１つのＩＣで制御できるので、これらを別々のＩＣで制御する場合と比べて、システム管理が容易になる。例えば、Ｖｃｃ制御回路２２に不具合がある場合にすぐにドライブ回路２６を停止させるなどの管理が容易にできる。

図２は、Ｖｃｃの制御シーケンスを示すタイミングチャートである。図２に沿ってＶｃｃの制御シーケンスを説明する。まず、Ｖｃｃの起動時（ドライブ回路２６の起動時）には充電回路２０が充電電流を生成することによってＶｃｃが高められる。図２に示される第１期間Ｐ１は、充電回路２０が動作している期間である。第１期間Ｐ１においては、遮断回路２４は作用しておらず充電回路２０は、Ｖｃｃ制御回路２２及びドライブ回路２６に接続されている。

充電回路２０の出力するＶｃｃが予め定められた値に達すると、遮断回路２４によって、充電回路２０とドライブ回路２６の接続、及び充電回路２０とＶｃｃ制御回路２２の接続が遮断される。そして、第２期間Ｐ２が始まる。第２期間Ｐ２ではＶｃｃ制御回路２２と外部コンバータ４３によってＶｃｃを生成する。第２期間Ｐ２では、まず、充電回路２０の出力が入力されたことでＦＢ検出回路２２ａとＰＦＭ制御回路（フィードバック回路）が動作し、信号生成回路２２ｃによる制御信号の出力が始まる。制御信号は、制御回路１８の外部の外部コンバータ４３に設けられた第２パワーデバイス４０のゲートに印加される。そして、外部コンバータ４３によって生成された電圧が端子Ｔ２を経由してドライブ回路２６に印加される。つまり、外部コンバータ４３の出力がドライブ回路２６に供給されるＶｃｃである。

前述のとおり、外部コンバータ４３の出力はフィードバック回路（ＦＢ検出回路２２ａとＰＦＭ制御回路２２ｂ）に入力される。フィードバック回路ではＶｃｃが適正であるか判定し、適正でなければ適正なＶｃｃを実現するためのパルス周期を信号生成回路２２ｃに通知する。その通知を受けた信号生成回路２２ｃは制御信号のパルス周期を変更する。図２には制御信号のパルス幅は変えないことが記載されているが、パルス幅を変えることも可能である。第２パワーデバイス４０のソース電流は、制御信号がハイレベルのときに流れる。

外部コンバータ４３からドライブ回路２６へ安定的にＶｃｃが供給されると、ドライブ回路２６から、ＤＣ−ＤＣコンバータの高耐圧パワーデバイス（第１パワーデバイス３０）のゲートにゲート駆動信号が印加される。仮に、第１フローティング端子（端子Ｔ１０）の電位を６００Ｖとすると、第１パワーデバイス３０のゲート電圧Ｖｇをソース電圧Ｖｓ（６００Ｖ）より１５Ｖ程度高くするために、ゲート駆動信号は６１５Ｖ程度とする。第１フローティング端子（端子Ｔ１０）の電位は例えば１００〜６００Ｖ程度の範囲で様々な値をとり得る。第１パワーデバイス３０がオンオフすることで、ＬＥＤ電源部３２が駆動し、所望の発光状態を実現できる。

少なくとも第１パワーデバイス３０がオンオフを繰り返す期間中は、ドライブ回路２６に設けられた検出回路２６ａ、２６ｂが第１パワーデバイス３０の被制御部（ＬＥＤ電源部３２）の電流を検出する。そして、ドライブ回路２６は、検出回路２６ａ、２６ｂで検出した電流が予め定められた値となるように、ゲート駆動信号を出力する。

仮に、Ｖｃｃ制御回路２２とドライブ回路２６を混載したチップのフローティング端子が１つだけである場合、ドライブ回路のフローティング電位がＶｃｃ制御回路のフローティング電位に影響を与えたり、Ｖｃｃ制御回路のフローティング電位がドライブ回路のフローティング電位に影響を与えたりする。この場合Ｖｃｃ制御回路の動作が安定しないおそれがある。

そこで、本発明の実施の形態１に係る制御回路１８では、ドライブ回路２６に接続された第１フローティング端子（端子Ｔ１０）と、Ｖｃｃ制御回路２２に接続された第２フローティング端子（端子Ｔ７）を絶縁した。これにより、Ｖｃｃ制御回路２２のフローティング電位は、ドライブ回路２６のフローティング電位から影響を受けない。したがって、Ｖｃｃ制御回路２２の動作を安定させて、Ｖｃｃを安定して供給できる。

図２に示すとおり、ドライブ回路２６の起動（Ｖｃｃの立ち上げ）時には、まず、充電回路２０が動作する。本発明の実施の形態１では例えば６００Ｖという高電圧からＶｃｃ（例えば１５Ｖ）を生成するので、充電回路２０を使い続けていると充電回路２０が発熱する。そのため、長期にわたって充電回路２０を動作させることはできない。

そこで、本発明の実施の形態１に係る制御回路１８では、ドライブ回路２６の起動（Ｖｃｃの立ち上げ）時だけ充電回路２０を動作させ、充電回路２０によって１５Ｖ未満だが１５Ｖに近い値の出力が得られたら、充電回路２０をオフする。充電回路２０の出力はＶｃｃ制御回路２２が動作を開始するきっかけを与える。充電回路２０がオフした後は、Ｖｃｃ制御回路２２と外部コンバータ４３によってＶｃｃが生成されるので制御回路１８の発熱を抑制することができる。

しかも、Ｖｃｃ制御回路２２は、フィードバック回路（ＦＢ検出回路２２ａとＰＦＭ制御回路）を備え、自身が生成させたＶｃｃが予め定められた値であるか監視する。そして、Ｖｃｃが予め定められた値から乖離したときは制御信号を変更するので、常に予め定められたＶｃｃを提供することができる。

本発明の実施の形態１に係る制御回路は様々な変形が可能である。例えば制御回路１８は、２つのフローティング端子を備えることが好ましいが、フローティング端子は１つとしてもよい。この場合、フィードバック機能を備えるＶｃｃ制御回路２２がＶｃｃの安定供給に寄与する。

また、ドライブ回路２６にＶｃｃを供給するＶｃｃ回路として、外部電源に接続され、ドライブ回路の起動時に充電電流を生成する充電回路と、充電回路の出力が予め定められた値に達すると充電回路とドライブ回路の接続を遮断する遮断回路と、充電回路の出力を受け、ドライブ回路にＶｃｃを供給するための信号を出力するＶｃｃ制御回路と、を設けた。しかしながら、Ｖｃｃ回路として、充電回路２０、Ｖｃｃ制御回路２２及び遮断回路２４以外の構成を採用してもよい。この場合、制御回路１８が２つのフローティング端子を備えることがＶｃｃの安定供給に寄与する。

第１パワーデバイス３０の制御を受ける被制御部はＬＥＤ電源部３２に限定されない。被制御部としては、ＤＣ−ＤＣコンバータ（チョッパータイプ）の構成又はハーフブリッジドライバ等を広く採用できる。なお、これらの変形は以下の実施の形態に係る制御回路にも応用できる。

以下の実施の形態に係る制御回路は実施の形態１の制御回路との共通点が多いので、実施の形態１との相違点を中心に説明する。

実施の形態２．
図３は、実施の形態２に係る制御回路等の回路図である。制御回路１８には力率改善回路１５０が設けられている。力率改善回路１５０は、ＰＦＣドライブ回路とＰＦＣ制御回路１５２を備えている。力率改善回路１５０はドライブ回路２６及び端子Ｔ１１、Ｔ１２に接続されている。端子Ｔ１１と端子Ｔ１２は昇圧回路１４に接続されている。力率改善回路１５０は、ドライブ回路２６に供給されるＶｃｃをモニターできるように、ドライブ回路２６に接続されている。

実施の形態２に係る制御回路１８は、制御回路１８が形成されたチップに昇圧回路１４を制御する力率改善回路１５０を設けたことを特徴とする。この特徴により、力率改善回路１５０と制御回路１８を別々の基板に設けた場合と比較して、部品点数の削減と基板面積の縮小が可能となる。

実施の形態３．
図４は、実施の形態３に係る制御回路等の回路図である。制御回路１８にはシステム遮断回路２００が設けられている。システム遮断回路２００は端子Ｔ２に接続されＶｃｃ制御回路２２により提供されるＶｃｃを検知する。システム遮断回路２００は、Ｖｃｃが予め定められた電圧より低くなったときに、ドライブ回路２６をシャットダウンする。実施の形態１では、１つのチップにドライブ回路２６とＶｃｃ制御回路２２を混載することによりシステム管理が容易になることに言及したが、実施の形態３はその一例である。

実施の形態４．
図５は、実施の形態４に係る制御回路等の回路図である。第１パワーデバイス３０’と第２パワーデバイス４０’はワイドバンドギャップ半導体によって形成されたＦＥＴである。ワイドバンドギャップ半導体は、炭化珪素、窒化ガリウム系材料又はダイヤモンドである。例えば、第１第２パワーデバイス３０’、４０’は炭化珪素を材料とするＭＯＳＦＥＴとする。第１第２パワーデバイス３０’、４０’をワイドバンドギャップ半導体で形成することで、これらをＳｉで形成した場合と比べて損失を抑制でき、しかも、高温動作させることができる。

なお、上記の各実施の形態に係る制御回路の特徴を適宜に組み合わせて、本発明の効果を高めても良い。

１８制御回路、２０充電回路、２２Ｖｃｃ制御回路、２４遮断回路、２６ドライブ回路、２６ａ,２６ｂ検出回路、３０第１パワーデバイス、３２ＬＥＤ電源部、４０第２パワーデバイス、４２電圧変換部、４３外部コンバータ、１５０力率改善回路、１５２ＰＦＣ制御回路、２００システム遮断回路

Claims

第１パワーデバイスにゲート駆動信号を出力するドライブ回路と、
前記ドライブ回路の起動時に、充電電流を生成する充電回路と、
前記充電回路の出力を受け、前記ドライブ回路のＶｃｃを供給するための制御信号を外部コンバータに設けられた第２パワーデバイスに出力するＶｃｃ制御回路と、を備え、
前記ドライブ回路、前記充電回路及び前記Ｖｃｃ制御回路を１つのチップに設け、
前記第１パワーデバイスは前記チップの外部に設けたことを特徴とする制御回路。
前記ドライブ回路に接続された第１フローティング端子と、
前記Ｖｃｃ制御回路に接続され、前記第１フローティング端子と常に絶縁された第２フローティング端子と、を備えたことを特徴とする請求項１に記載の制御回路。
第１パワーデバイスにゲート駆動信号を出力するドライブ回路と、
前記ドライブ回路にＶｃｃを供給するために外部コンバータに設けられた第２パワーデバイスに制御信号を出力するＶｃｃ回路と、
前記ドライブ回路に接続された第１フローティング端子と、
前記Ｖｃｃ回路に接続され、前記第１フローティング端子と常に絶縁された第２フローティング端子と、を備え、
前記ドライブ回路及び前記Ｖｃｃ回路を１つのチップに設け、
前記第１パワーデバイスは前記チップの外部に設けたことを特徴とする制御回路。
前記Ｖｃｃ回路は、
前記ドライブ回路の起動時に、充電電流を生成する充電回路と、
前記充電回路の出力を受け、前記Ｖｃｃを供給するための制御信号を出力するＶｃｃ制御回路と、を備えたことを特徴とする請求項３に記載の制御回路。
前記充電回路の出力が予め定められた値に達すると前記充電回路と前記Ｖｃｃ制御回路の接続を遮断する遮断回路を備えたことを特徴とする請求項１又は４に記載の制御回路。
前記Ｖｃｃ制御回路は、
前記制御信号を生成する信号生成回路と、
前記外部コンバータで生成した前記Ｖｃｃを検出し、前記Ｖｃｃが予め定められた値となるように、前記信号生成回路に信号を伝送するフィードバック回路と、を備えたことを特徴とする請求項２又は４に記載の制御回路。
前記第１フローティング端子は前記第１パワーデバイスのソースに接続されたことを特徴とする請求項２又は４に記載の制御回路。
前記ドライブ回路は、前記第１パワーデバイスの被制御部の電流を検出する検出回路を備え、
前記ドライブ回路は、前記検出回路で検出した電流が予め定められた値となるように、前記ゲート駆動信号を出力することを特徴とする請求項７に記載の制御回路。
前記第２フローティング端子が前記第２パワーデバイスのソースに接続されたことを特徴とする請求項６に記載の制御回路。
電源電圧を昇圧する昇圧回路を制御する力率改善回路を備え、
前記力率改善回路は、前記チップに設けられたことを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の制御回路。
前記Ｖｃｃが予め定められた電圧より低くなったときに、前記ドライブ回路をシャットダウンするシステム遮断回路を備え、
前記システム遮断回路は、前記チップに設けられたことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の制御回路。
前記第１パワーデバイスはワイドバンドギャップ半導体によって形成されたＦＥＴであることを特徴とする請求項７に記載の制御回路。
前記第２パワーデバイスはワイドバンドギャップ半導体によって形成されたＦＥＴであることを特徴とする請求項９に記載の制御回路。
前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化珪素、窒化ガリウム系材料又はダイヤモンドであることを特徴とする請求項１２又は１３に記載の制御回路。